فقط 1% من المواد الكيميائية مكتشفة، كيف يمكننا العثور على الباقي؟

الكون مملوء بمليارات المواد الكيميائية، كل من هذه المواد يمثل مدخلًا لإمكانيات غير محدودة لاكتشاف المزيد. وحتى الآن، لم نكتشف غير 1% منها. يعتقد العلماء أن المركبات الكيميائية التي لم تُكتشف بعد قد تساهم في التخلص من الغازات الدفيئة، أو حتى تحفيز اكتشافات طبية مثلما حدث مع البنسلين.

لنبدأ بتوضيح الأمر أولاً: الأمر ليس أن الكيميائيين غير فضوليين. فمنذ أن اخترع الكيميائي الروسي دميتري مندليف جدول العناصر الدورية في عام 1869، الذي يمثل مكعبات ليغو للكيميائيين، والعلماء يكتشفون المواد الكيميائية التي عرَّفت العالم الحديث. وقد احتاجوا إلى الاندماج النووي (تصادم الذرات بسرعة قريبة من الضوء) لتحضير العناصر القليلة الأخيرة. والعنصر رقم 117، التينيسين، صنع في عام 2010 بهذه الطريقة.

ولكن لفهم النطاق الكامل للكون الكيميائي، عليك فهم المركبات الكيميائية أيضًا. بعضها يحدث بشكل طبيعي كالماء مثلًا، فهو مكوّن من الهيدروجين والأكسجين. وبعضها، مثل النايلون، اكتشف في التجارب المخبرية ويُصنع في المصانع.

تتكون العناصر من نوع واحد من الذرات، وتتكون الذرات من جزيئات أصغر مثل الإلكترونات والبروتونات. وجميع المركبات الكيميائية مصنوعة من ذرتين أو أكثر. على الرغم من إمكانية وجود عناصر أخرى لم تكتشف بعد، فذلك غير مرجح. إذًا، ما عدد المركبات الكيميائية التي يمكننا صنعها باستخدام ال118 نوعًا مختلفًا من مكعبات الليغو الكيميائية التي نعرفها حاليًا؟

أرقام كبيرة

يمكننا البدء بتكوين جميع المركبات المكونة من ذرتين. هناك الكثير من هذه المركبات حولنا، بدليل أن النيتروجين والأكسجين يشكلان معًا 99 في المائة من هوائنا. من المحتمل أن يستغرق الكيميائي نحو عام لصنع مركب واحد، وهناك 6,903 مركبات من ذرتين نظريًا. إذًا سنحتاج إلى قرية كاملة من كيميائيين يعملون طوال عام كامل فقط لصنع كل مركب ممكن مكوّن من ذرتين.

هناك نحو 1.6 مليون مركب ثلاثي الذرات مثل H₂0 (الماء) وC0₂ (ثاني أكسيد الكربون)، وهو عدد سكان برمنغهام وإدنبرة مجتمعين. بمجرد أن نصل إلى مركبات مكونة من أربع ذرات وخمس، سنحتاج إلى أن يصنع كل شخص على الأرض ثلاثة مركبات. ولصنع كل هذه المركبات الكيميائية، نحتاج أيضًا إلى إعادة تدوير جميع المواد الموجودة في الكون عدة مرات.

لكن هذا تبسيط بالطبع. فأشياء مثل هيكل المركب واستقراره يمكن أن تجعله أكثر تعقيدًا وصعوبة في صنعه. أكبر مركب كيميائي صُنع حتى الآن كان في عام 2009، ويحتوي على ما يقرب من 3 ملايين ذرة. لسنا متأكدين بعد ما الذي يفعله، ولكن المركبات المماثلة تستخدم لحماية أدوية السرطان في الجسم حتى تصل إلى المكان المناسب.

ولكن انتظر، الكيمياء لديها قواعد!

ليست كل هذه المركبات ممكنة بالطبع؟

صحيح أن هناك قواعد، لكنها نوعًا ما مرنة، مما يخلق المزيد من الاحتمالات للمركبات الكيميائية.

حتى «الغازات النبيلة» الفردية (بما في ذلك النيون والأرجون والزينون والهيليوم)، التي تميل إلى عدم الارتباط بأي شيء، تشكل مركبات أحيانًا. مثلًا فإن هيدريد الأرجون، ArH + غير موجود بشكل طبيعي على الأرض ولكن عُثر عليه في الفضاء. تمكن العلماء من صنع نسخ اصطناعية في المختبرات تحاكي ظروف الفضاء السحيق. لذلك، إذا وضعت الظروف البيئية المتطرفة في حساباتك، فإن عدد المركبات المحتملة يزداد.

يميل الكربون عادةً إلى أن يرتبط بذرة حتى أربع ذرات، لكنه، في بعض الأحيان، يرتبط بخمس ذرات فترة قصيرة من الزمن. تخيل حافلة بسعة قصوى تبلغ أربعة ركاب. الحافلة في المحطة، والناس يركبون وينزلون. أثناء تحرك الناس، لفترة وجيزة، يمكن أن يكون لديك أكثر من أربعة أشخاص في الحافلة.

يقضي بعض الكيميائيين حياتهم المهنية بأكملها في محاولة صنع مركبات، وفقا لكتاب قواعد الكيمياء، لا ينبغي أن تكون موجودة. إلا أنها في بعض الأحيان يمكن صنعها.

سؤال آخر يتعين على العلماء التعامل معه هو ما إذا كان المركب الذي يريدونه لا يمكن أن يتواجد إلا في الفضاء أو البيئات الشديدة- مثل الحرارة والضغط الهائلين الموجودين في الفتحات الحرارية المائية (وهي فتحات ذات نشاط حراري توجد في قاع المحيطات)، والتي تشبه السخانات ولكن في قاع المحيط.

كيف يبحث العلماء عن مركبات جديدة

غالبًا ما تكون الإجابة هي البحث عن المركبات المرتبطة بالمركبات المعروفة بالفعل. هناك طريقتان رئيستان لذلك. الأولى هي أخذ مركب معروف وتغييره قليلًا- عن طريق إضافة بعض الذرات أو إزالتها وتعديلها. الأخرى هي أخذ تفاعل كيميائي معروف واستخدام مواد مختلفة من البداية. إذ تكون فيه طريقة الصنع هي نفسها ولكن المنتجات قد تكون مختلفة تمامًا. كلتا الطريقتين وسيلة للبحث عن المجهول الذي نعرف بوجوده.

بالعودة إلى صندوق الليغو، الأمر يشبه إنشاء منزل، ثم منزل مختلف قليلًا، أو شراء طوب جديد وإضافة طابق ثان. يقضي الكثير من الكيميائيين حياتهم المهنية في استكشاف أحد هذه المنازل الكيميائية.

ولكن كيف يمكننا البحث عن كيمياء جديدة حقًا- أي مجهولات لا نعرف بوجودها؟

إحدى الطرائق التي يتعلم بها الكيميائيون عن المركبات الجديدة هي النظر إلى العالم الطبيعي. عُثر على البنسلين بهذه الطريقة في عام 1928، عندما لاحظ ألكسندر فليمنج أن العفن في أطباق بتري يمنع نمو البكتيريا (طبق بتري هو طبق ذو غطاء شفاف مسطح يستخدمه علماء الأحياء للاحتفاظ بوسط النمو الذي يمكن فيه زراعة الخلايا).

بعد أكثر من عقد من الزمان، في عام 1939، عمل هوارد فلوري على كيفية زراعة البنسلين بكميات مجدية، مستمرًا في استخدام العفن. لكن الأمر استغرق وقتًا أطول، إلى عام 1945، حتى حددت دوروثي كروفوت هودجكين التركيب الكيميائي للبنسلين.

وهذا أمر مهم؛ لأن جزءًا من تركيب البنسلين يحتوي على ذرات مرتبة في مربع، وهو ترتيب كيميائي غير عادي لا يخمنه غير قلة من الكيميائيين، ويصعب صنعه. إن فهم تركيب البنسلين يعني أننا نعرف كيف يبدو ويمكننا البحث عن أبناء عمومته الكيميائيين. إذا كنت تعاني حساسية تجاه البنسلين وتحتاج إلى مضاد حيوي بديل، فعليك أن تشكر الكيميائية كروفوت هودجكين.

في الوقت الحاضر، صار تحديد بنية المركبات الجديدة أسهل بكثير. إذ لا تزال تقنية الأشعة السينية التي اخترعتها كروفوت هودجكين في عملها لتحديد هيكلية البنسلين تستخدم في جميع أنحاء العالم لدراسة المركبات. ويمكن أيضًا استخدام نفس تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي التي تستخدمها المستشفيات لتشخيص المرض على المركبات الكيميائية لتحديد هيكلها.

ولكن حتى إن خمن الكيميائي بنية جديدة تمامًا لا علاقة لها بأي مركب معروف على الأرض، فلا يزال يتعين عليهم صنعها، وهو الجزء الصعب. إن معرفة إمكانية وجود مركب كيميائي لا يخبرك بالضرورة بكيفية تركيبه أو الظروف التي تحتاج إليها لصنعه.

بالنسبة للعديد من المركبات المفيدة، مثل البنسلين، من الأسهل والأرخص «تكثيرها» واستخراجها من العفن أو النباتات أو الحشرات. وهكذا لا يزال العلماء الذين يبحثون عن كيمياء جديدة غالبًا ما يطلبون الإلهام من أصغر أركان العالم من حولنا.